DIVISIÓN CELULAR
MITOSIS
INTRODUCCIÓN
Fig. 12.21 - Etapas del ciclo celular
La división celular es un fenómeno complejo por el que los materiales celulares se dividen en partes iguales entre las dos células hijas. En una serie de pasos que en conjunto se llaman MITOSIS se asigna a cada célula hija un juego completo de cromosomas. Hacia el final de este proceso, se produce la división o clivaje del citoplasma ( citocinesis ) y las dos células hijas se separan, de modo que cada una no sólo contiene un complemento cromosómico completo, sino también más o menos la mitad del citoplasma y de los organoides de la célula madre.
Este proceso es sólo la fase final y microscópicamente visible de cambios ocurridos a nivel molecular y bioquímico.
En los organismos unicelulares, la MITOSIS es el modo de reproducción asexual. En los organismos multicelulares, es el medio por el cual el organismo crece a partir de una sola célula y también por el que los tejidos lesionados se reponen y reparan.
El mecanismo mitÓtico
El mecanismo de la mitosis ( del griego “ mitos”, filamento, hilo ) es semejante en todas las células eucariontes, aún cuando existen diferencias entre células animales y vegetales. Haremos primero una descripción del proceso mitótico en células animales, para marcar luego las diferencias que se manifiestan en las vegetales.
La serie de fenómenos que constituyen el ciclo mitótico comienza al finalizar el período G 2 de la interfase y termina al iniciarse el período G 1 de una nueva interfase. Las principales fases de la mitosis son: Profase, Metafase, Anafase y Telofase; de éstas la de mayor duración suele ser la profase.
Cuando una célula está en interfase, el material cromosómico está disperso y se observan como finos cordones. Al iniciarse la mitosis, la cromatina se arrolla lentamente y se condensa en forma compacta. Esta condensación sería necesaria para los complejos movimientos y separación de los cromosomas durante la mitosis. Cuando los cromosomas condensados se tornan visibles, cada uno consiste en dos réplicas llamadas cromátides unidas entre sí por el centrómero. Dentro de éste hay estructuras proteicas, los cinetocoros.
Fig. 12.22- Esquema de un cromosoma replicado
Etapas de la Mitosis
PROFASE
Al comienzo de la profase la cromatina empieza a condensarse visualizandosé los cromosomas individuales. Cada cromosoma consta de dos cromátidas duplicadas conectadas a nivel del centrómero. Al mismo tiempo, la célula adopta una forma esferoidal y se hace más refringente y viscosa.
Por fuera de la envoltura nuclear y próximos a ella, se encuentran dos pares de centríolos. Cada par consiste en un centríolo maduro y un centríolo recién formado que se ubica perpendicularmente al primero. Los pares de centríolos comienzan a separarse, un par migra hacia el polo apical o superior de la célula y el otro lo hace hacia el polo basal o inferior. A medida que se separan, se organiza entre ambos pares un sistema de microtúbulos que constituyen el huso acromático o huso mitótico. Rodeando a cada par de centríolos, aparecen unas fibras adicionales conocidas como ásteres ( el nombre de áster deriva de su aspecto estrellado ), que irradian hacia fuera de los centríolos. Otro cambio es la reducción de los nucléolos, que finalmente se fragmentan y aparecen desintegrados en el nucleoplasma.
La envoltura nuclear se desintegra a medida que se condensan los cromosomas. Al final de la profase, la envoltura nuclear desaparece, los cromosomas se han condensado por completo y ya no están separados del citoplasma.
Al término de esta fase, el aparato mitótico está totalmente organizado.
El APARATO MITÓTICO
El aparato mitótico comprende el huso y los ásteres que rodean a los centríolos. El áster aparece como un grupo de microtúbulos radiales (microtúbulos astrales) que convergen hacia el centríolo, alrededor del cual se observa una zona clara llamada centrosoma.
Las fibras del huso se clasifican en tres tipos: continuas (polares), que se extienden de polo a polo de la célula; cromosómicas (cinetocóricas), que unen a los cromosomas a los polos; e interzonales, que se observan en anafase y telofase entre los cromosomas hijos.
Los centríolos, el huso y los cinetocoros presentan tubulina ( proteína principal de cilias y flagelos ).
Los cinetocoros son los sitios donde se implantan los microtúbulos en los cromosomas y actúan en el armado de los microtúbulos.
Fig. 12.23 - Las tres clases de microtúbulos que forman el aparato mitótico.
METAFASE
Algunas veces se denomina prometafase a la transición entre la profase y la metafase. Se trata de un período muy corto durante el cual se termina de desintegrar la envoltura nuclear y se acaba de armar el aparato mitótico.
En la metafase, los cromosomas unidos a las fibras del huso por sus cinetocoros; sufren movimientos oscilatorios hasta que se ordenan en el plano central o ecuatorial, formando la placa ecuatorial.
ANAFASE
Al comienzo de la anafase, los centrómeros se separan simultáneamente en todos los pares de cromátidas. Los cinetocoros y las cromátidas se separan y comienzan su migración hacia los polos. El cinetocoro siempre precede al resto de la cromátida o cromosoma hijo, como si éste fuera traccionado por las fibras cromosómicas del huso.
El cromosoma puede adoptar la forma de una V de brazos iguales si es metacéntrico o de brazos desiguales si es submetacéntrico.
Durante la anafase, los microtúbulos de las fibras cromosómicas se acortan a un tercio o a un quinto de su longitud original. Simultáneamente, aumenta la longitud de los microtúbulos de las fibras continuas, algunas de las cuales constituyen las llamadas fibras interzonales.
TELOFASE
El final de la migración de los cromosomas hijos indica el principio de la telofase. Los cromosomas comienzan ha desenrollarse y se vuelven cada vez menos condensados, mediante un proceso que en cierta forma es inverso a la profase.
El huso se dispersa en subunidades de tubulina y se desintegra. Los cromosomas se agrupan en masas de cromatina rodeadas de segmentos discontinuos de envoltura nuclear provenientes del REG (retículo endoplásmico rugoso ), hasta que la envoltura nuclear queda reconstituida, en cada grupo cromosómico.
Los nucléolos aparecen en las etapas finales a nivel de los organizadores nucleolares de algunos cromosomas.
Hasta este momento hemos considerado la división nuclear ( cariocinesis ), a ésta le suele seguir la segmentación y separación del citoplasma ( citocinesis ).
CITOCINESIS
Es el proceso de clivaje y separación del citoplasma. Puede producirse simultáneamente a la anafase y telofase, o en una etapa posterior.
El clivaje se produce siempre en la línea media de la célula. La membrana celular comienza a estrecharse en el área donde se situaba el ecuador del huso. Al principio aparece un surco en la superficie, que luego se profundiza hasta que la célula se divide. Se supone que en esta constricción intervienen microfilamentos de actina, pues se los observa en grandes cantidades cerca de los surcos.
Durante la citocinesis, los distintos organoides citoplasmáticos se distribuyen equitativamente en ambas células hijas.
MITOSIS EN CÉLULAS VEGETALES
En la división de las células vegetales, el comportamiento cromosómico es igual al descripto en las células animales.
Fig. 12.24 - Formación de la placa celular
Una de las diferencias más notables es que las células vegetales no
poseen centríolos ni derivados centriolares. Pero este no es un impedimento
para la formación del huso mitótico, en este caso se lo denomina “huso
anastral “. La formación de microtúbulos está relacionada con los cinetocoros.
Otra de las diferencias está dada por la citocinesis, en las células vegetales,
el citoplasma se divide en la línea media por un tabique que comienza
a formarse en la anafase, llamado fragmoplasto, que estaría formado
por microtúbulos y vesículas derivadas de dictiosomas. Con el tiempo,
las vesículas se fusionan y dejan un espacio limitado por una membrana,
la placa celular (Fig. 12.24). A medida que se fusionan más vesículas,
los bordes de la placa en crecimiento se juntan con la membrana celular
y de este modo se establece un espacio entre las dos células hijas, completando
así su separación. Por último, este espacio se impregna de pectinas que
constituyen la laminilla media. Cada célula hija construye entonces su
propia pared celular depositando celulosa y otros polisacáridos contra
su membrana. Una vez completada la división celular, quedan dos células
hijas idénticas.
MEIOSIS
Todas las células corporales de un organismo contienen un número determinado de cromosomas, característico de la especie a la que pertenece.
En los organismos eucariontes más complejos los cromosomas siempre existen en pares, hay invariablemente dos de cada clase formando parejas, cada uno de ellos se llama homólogo. Así los 46 cromosomas humanos, constituyen 23 pares.
Fig. 12.25 - Ciclo vital sexual: se observa alternacia de generaciones haploides y diploides
En las gametas la cantidad de cromosomas es exactamente la mitad, existiendo sólo uno de cada clase. Esto ocurre porque son células destinadas a unirse, así cuando un espermatozoide fecunda a un óvulo se reconstituye el número normal de cromosomas de la especie.
Como en las células somáticas tenemos dos cromosomas de cada clase decimos que son diploides, en cambio a las gametas las llamamos haploides. Habitualmente designamos el número haploide como “ n “ y al diploide como “ 2 n “.
Por ejemplo para la especie humana, n = 23 y 2n = 46.
La constancia del número de cromosomas en las sucesivas generaciones queda asignado por el proceso de MEIOSIS, un tipo particular de división nuclear propia de los eucariontes, que consiste en dos divisiones consecutivas, que comienzan en células diploides en las cuales el número de cromosomas se reduce a la mitad.
La reducción del número de cromosomas en la meiosis no se produce al azar, sino que se separan los miembros de pares de cromosomas para pasar a células hijas diferentes.
La meiosis tiene lugar en algún momento del ciclo vital de todos los organismos de reproducción sexual, porque los gametos deben ser haploides para compensar el número doble de cromosomas producto de la fecundación. En animales y algunas algas se produce durante la formación de gametas. En muchos hongos, algas verdes y esporozoarios se lleva a cabo inmediatamente después de la fecundación. En la mayoría de las plantas se realiza después de la fecundación, pero antes de la formación de las gametas, durante la formación de esporas.
De todos modos, a pesar de las variaciones particulares, el proceso es muy parecido en las diferentes especies.
DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA MEIOSIS
MEIOSIS I - División reduccional
Para su mejor estudio describimos varios períodos: Profase I, Metafase I, Anafase I y Telofase
PROFASE I: Es el período más prolongado de la meiosis, a la vez para su mayor comprensión consideramos varias subetapas:
a. Leptonema: Los cromosomas se presentan como largas fibras, delgadas, poco espiralizadas. Las cromátidas no son visibles.
b.
Cigonema: Los
cromosomas homólogos se alinean y aparean de una manera altamente específica,
este proceso es llamado sinapsis.
El apareamiento comprende la formación del complejo sinaptonémico, una estructura proteínica que se halla interpuesta entre los homólogos. Al par de cromosomas homólogos apareados lollamamos bivalente.
c.
Paquinema:
Los homólogos se aparean íntegramente ( en toda su longitud ).
Los cromosomas se visualizan más cortos y gruesos debido al alto grado
de espiralización. Cada unidad es ahora una tétrada, compuesta
por dos homólogos, es decir cuatro cromátidas. Las dos cromátidas
de cada cromosoma se denominan cromátidas hermanas.
Durante el Paquinema es característico el intercambio de segmentos, proceso llamado entrecruzamiento o crossing-over. Este intercambio de material cromosómico es una fuente importante de variabilidad genética.
a.
Diplonema: Los cromosomas
apareados empiezan a separarse, aunque permanecen unidos en los puntos
de intercambio o quiasmas.
b. Diacinesis: La contracción de los cromosomas llega a su máximo, los cromosomas homólogos siguen unidos por los quiasmas que ahora se ubican en los extremos ( terminalización de los quiasmas ).
Mientras ocurren los procesos antes mencionados, se desorganiza la envoltura nuclear y se organiza el huso acromático.
METAFASE I
Los homólogos unidos como en diacinesis se asocian por sus centrómeros a las fibras del huso, ubicándose en el plano ecuatorial de la célula.
ANAFASE I
Se separan los homólogos cada uno hacia polos distintos de la célula. Hacia finales de esta etapa puede observarse el comienzo de la citocinesis ( división del citoplasma ). Cabe aclarar que la migración de los cromosomas hacia polos opuestos de la célula es al azar.
TELOFASE I
Los cromosomas ubicados en los polos de la célula se reagrupan. Cada polo recibe la mitad del número de cromosomas de la célula origina. Se completa la citocinesis. Luego de este período puede existir un intervalo llamado intercinesis.
MEIOSIS II - División ecuacional
Esta segunda división es muy parecida a la Mitosis, excepto que no va precedida por una duplicación del ADN.
Al comienzo de esta división los cromosomas pueden haberse dispersado un poco, pero vuelven a condensarse.
También aquí describimos varios períodos.
PROFASE II
Se organiza nuevamente el huso acromático. Los cromosomas se unen a las fibras del mismo por sus centrómeros.
METAFASE II
Los cromosomas ( cada uno formado por dos cromátidas ) se ubican en el plano ecuatorial.
ANAFASE II
Al igual que en la anafase mitótica las cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan, migrando hacia polos distintos de la célula.
TELOFASE II
Se desorganiza el huso acromático, se forman las envolturas nucleares. Ahora hay cuatro núcleos hijos, cada uno de los cuales tiene la mitad del número de cromosomas de la célula progenitora.
La citocinesis ocurre del mismo modo que tras la mitosis.
Consecuencias de la Meiosis
La meiosis desde el punto de vista genético se considera un mecanismo destinado a distribuir al azar los genes maternos y paternos en las gametas. Esta distribución al azar es la consecuencia de dos procesos que tienen exclusivamente durante la meiosis. Ellos son:
· La recombinación genética o crossing over.
· La segregación al azar de los cromosomas homólogos. (Fig. 12.28)
Fig. 12.28 - Esquematización de las dos contribuciones de la meiosis a la variabilidad genética
Ambos sucesos son fuente de variabilidad genética. A su vez las fallas en la segregación al azar de los homólogos en la Anafase I y II, conduce a aberraciones cromosómicas que provocan graves patologías (por ej. El Sindrome de Down).
GAMETOGÉNESIS
El proceso antes descripto es el que ocurre en aquellas células destinadas a formar células sexuales. Según el tipo de organismo del que se trate, podemos hablar de una gametogénesis (es decir que la meiosis produce gametas ) o esporogénesis ( cuando los productos son esporas ). En el caso de las gametas, se originan por meiosis los óvulos femeninos y los espermatozoides masculinos. En ambos casos, se trata de células especiales, las gametogonias, las que en los órganos reproductivos (ovarios y testículos ) van a experimentar la meiosis y así originar las gametas.
La serie de cambios que conducen a la formación de espermatozoides, empieza con la conversión de las espermatogonias en espermatocitos I, son éstos los que experimentan la primera división meiótica, originando dos espermatocitos II, estas células ya son haploides.
Cada uno de los espermatocitos II experimentan la segunda división meiótica, dando origen así a cuatro espermátidas. Posteriormente estas células se diferencian en espermatozoides a través de un proceso denominado espermiogénesis (Fig. 12.29).
Para la formación de los óvulos en los ovarios, la célula primordial es la ovogonia que se diferencia en ovocito I. Éste pasa por una división meiótica para producir un ovocito II y un cuerpo polar, que es una célula de pequeño tamaño. Esta primera división comienza en la mujer en el tercer mes de vida fetal, se detiene en profase I avanzada reiniciándose en el momento de la ovulación. La segunda división meiótica que produce el óvulo y un segundo cuerpo polar, sólo ocurre después de la fecundación. El cuerpo polar también puede dividirse pero de todas formas son células que no intervienen directamente en la fecundación. (Fig. 12.30)
Fig. 12.29 - Esquema de las etapas de la espermatogénesis
COMPARACIÓN ENTRE MITOSIS Y MEIOSIS
Fig. 12.31 - Comparación entre las divisiones meióticas y mitóticas
AUTOEVALUACIÓN
1- Distinga los siguientes términos: ciclo celular,/ división celular, mitosis / citocinesis, cromátida /cromosoma, centríolo / centrómero.
2- Describa las actividades de cada etapa del ciclo celular y el papel de cada una en el proceso global de la división.
3- ¿ Qué es un cromosoma ? ¿ Cómo se relaciona con la cromatina ?
4- ¿ Qué son las células haploides y diploides ?
5- ¿ Por qué decimos que las neuronas están continuamente en período G 0 ?
6- ¿ Cómo ocurren los fenómenos cromosómicos en la profase meiótica ?
7- ¿ Los cromosomas que se separan en la primera división meiótica, son iguales a los que comenzaron el proceso de división ?
8- ¿ Por qué no ocurre síntesis de ADN en la intercinesis ?
9- ¿ Cuáles son las diferencias básicas entre mitosis y meiosis ?
10- En nuestro cuerpo ocurren mitosis y meiosis. Describa las funciones de estos dos procesos.
PREGUNTAS DE MULTIPLE OPCIÓN
1- Si una célula en cultivo, incorpora notablemente timidina al ADN, dicha célula se encuentra en:
a. G1.
b. S.
c. G2.
d. Mitosis.
2- La etapa del Ciclo Celular
a. G2 es la más larga del ciclo.
b. G1 contiene el doble de ADN que G2.
c. G0 es la que sigue inmediatamente a la división celular y es previa a G1.
d. G2 contiene el doble de ADN que G1.
3- En el ciclo celular:
a. el ADN comienza a pasar al estado compactado durante la etapa G1.
b. se sintetizan histonas y ADN durante la etepa S.
c. se duplica el número de cromosomas durante G2.
d. la interfase comprende G1, S, G2 y cariocinesis.
4- La ADN polimerasa cataliza la formación de uniones fosfodiéster entre:
a. el –OH del carbono 3’ de un nucleótido y el fosfato del carbono 5’ del nucleótido siguiente
b. el –OH del carbono 5’ de un nucleótido y el fosfato del carbono 3’ del nucleótido siguiente
c. un fosfato de un nucleótido y un fosfato del nucleótido siguiente
d. un –OH de un nucleótido y un –OH del nucleótido siguiente
5- En la replicación del ADN hay una cadena adelantada y retrasada debido a :
a. la distinta velocidad de copia de la nueva cadena
b. el tipo de enzima que actúa sobre cada cadena
c. el carácter antiparalelo de las cadenas molde
d. la formación de horquillas de duplicación
6- Durante la prometafase mitótica ocurre:
a. movimiento y ubicación de los cromosomas en el plano ecuatorial.
b. desorganización de la envoltura nuclear.
c. duplicación de los centríolos.
d. recombinación genética entre pares de homólogos.
7- Si al observar una célula en división se pueden contar 7 cromosomas en cada polo, la célula:
a. es 2n=14 y está en metafase II meiótica.
b. es 2n=14 y está en anafase I mitótica.
c. es n=7 y está en anafase mitótica.
d. es 2n=7 y está en anafase mitótica.
8- Si al observar una célula en división se pueden contar 7 cromátides en cada polo, la célula :
a. es 2n=7 y está en metafase II meiótica.
b. es 2n=14 y está en anafase mitótica.
c. es 2n=14 y está en anafase II meiótica.
d. es n=7 y está en metafase mitótica.
9- En la meiosis, una célula 2n=12 en la profase II tendrá:
a. 12 cromosomas duplicados.
b. 6 bivalentes.
c. 12 cromosomas con una cromátide cada uno.
d. 6 cromosomas duplicados.
10- Durante la meiosis, los sucesos que contribuyen a la variabilidad genética se producen en:
a. Profase I, Anafase I y Anafase II.
b. Profases I y II.
c. Profase I y Telofase I.
d. Profase II y Telofase II.
BIBLIOGRAFÍA
1. Alberts, B et al; (1996) Biología Molecular de la Célula; 3ra Edición; Ediciones Omega S.A. Barcelona.
2. Brock, T; (1997) Biology the Microorganisms; 8th Edition; Prentice Hall. NY
3. Campbell, N; (1997) Biology; 4th Edition. the Benjamin Cummings Publishing Company, Inc. California
4. De Robertis(h); Hib; Ponzio.(1996).Biología Celular y Molecular de De Robertis; 12º Edición. El Ateneo. Bs.As.
5. De Robertis, E.; Hib, J.; (1998) .Fundamentos de Biología Celular y Molecular; El Ateneo. Bs.As.
6. Dillin ,Andrew, Rine ,Jasper .(1998). Roles for ORC in M Phase and S Phase Science. 279 (1733 - 1737)
7. Elledge, Stephen J. (1996) . Cellspan style='font-weight:normal'>Cycle Checkpoints: Preventing an Identity Crisis. Science. 274 (1664 - 1672)
8. Gardner, Simmons, Snustad; (1991) Principles of genetics; 8th edition; John Wiley and sons,Inc.
9. Harper, (1995) Manual de Bioquímica; Ediciones El Manual Moderno.
10. Jacks,Tyler and Weinberg, Robert A. (1998). The Expanding Role of Cell Cycle Regulators. Science. 280 (1035 - 1036)
11. Karp, G.; (1998) Biología Celular y Molecular;Ed. Mc Graw Hill Interamericana. México
12. Kimball, J.; (1994) Biology; 6th ed.; Mc Graw Hill Professional Publishing. NY
13. King, Randall W., Deshaies, Raymond J., Peters, Jan-Michael, Kirschner, Marc W.. (1996) How Proteolysis Drives the Cell Cycle. Science. 274 (1652 - 1659 )
14. Murray Andrew (1994). Cell cycle checkpoints. Current Opinion in Cell Biology 6:872-876.
15. Nasmyth, Kim, Peters, Jan-Michael, Uhlmann, Frank (2000). Splitting the Chromosome: Cutting the Ties That Bind Sister Chromatids . Science. 288 (1279 - 1284)
16. Nurse, Paul (2000). The Incredible Life and Times of Biological Cells . Science. 289 (1711-1716)
17. Smith and Wood; (1997) .Biología Celular; Ed. Addison-Wesley, Iberoamericana S.A.
18. Smith and Wood; (1998) .Biología Molecular y Biotecnología; Ed.Addison-Wesley, Iberoamericana S.A.
19. Stansfield, W., (1992) Genética; 3ra Edición; Mc Graw Hill Interamericana. México.
20. Stillman, Bruce (1996). Cell Cycle Control of DNA Replication. Science. 274 (1659 - 1663)
21. Stocker, Hugo and Hafen ,Ernst (2000). Genetic control of cell size. Current Opinion in Genetics and Development, 10:529-535
22. Stryer, L.;(1995) Bioquímica; Ed. Reverté. España.
23. von Hippel, Peter H. and Jing, Debra H. (2000). Bit Players in the Trombone Orchestra . Science. 287 (2435 - 2436)
24. Wang, Thomas A, Li ,Joachim J ( 1995) Eukaryotic DNA replication. Current Opinion in Cell Biology, 7:414-420.
25. Weinert, Ted. (1997). Enhanced: A DNA Damage Checkpoint Meets the Cell Cycle Engine. Science. 277 (1450 - 1451)
